IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 19/1998, Seite 58 ff.

HEIZUNGS-/KÜHLTECHNIK

Heizen und Kühlen mit abgehängten Decken

Fehler der Vergangenheit vermeiden

Dipl.-Ing. Fritz Nüßle *

Die Kühldecke hat sich in den letzten zehn Jahren zum führenden Raumkühlsystem in Deutschland entwickelt. Die Vorteile hinsichtlich Behaglichkeit, Betriebskosten und Platzbedarf sind unbestritten, die Auslegung solcher Anlagen für die meisten TGA-Ingenieure heute Routine. Künftig erhält die Kühldecke - wo möglich - eine zusätzliche Funktion: Warum die Strahlungsdecke nicht auch zum Heizen nutzen? Der Wärmebedarf in neuen Bürogebäuden ist mittlerweile so gering, daß in vielen Fällen auf ein herkömmliches Radiatorenheizsystem verzichtet werden könnte. Will man die Kühldecke auch zum Heizen einsetzen, müssen einige wichtige Randbedingungen beachtet werden.

Abgehängte Decken in Bürogebäuden haben sich in den letzten Jahrzehnten einem starken Wandel unterzogen. Hatten sie früher oft nur eine optische Funktion, also das Verkleiden von betonierten Geschoßdecken und Installationen, so erweiterte sich ihr Einsatzspektrum in modernen Bürogebäuden gleich in mehrfacher Hinsicht. Abgehängte Decken sind heute Multifunktionsbauteile für folgende Aufgabenfelder:

Das Heizen mit abgehängten Decken erlebte in den 60er und 70er Jahren eine Blütezeit und ist damit wesentlich älter als die Deckenkühlung, kam dann aber bei ungünstigen Randbedingungen und wegen unzureichender Planungen wieder in Vergessenheit. Mit der erfolgreichen Markteinführung der Kühldecke in Deutschland Anfang der 90er Jahre lag es nahe, das Kühldeckensystem auch im Heizfall einzusetzen.

In der Zwischenzeit hatte sich auch das thermische Umfeld für das "Heizen von der Decke" komplett geändert durch:

Aufgrund dieser Entwicklung werden die Heizzeiten, in denen mit Radiatoren nachgeheizt werden muß, immer kürzer. Dagegen tritt der Kühlfall immer früher ein. Gebäude, die nach den geltenden Regeln erstellt werden, haben heute nur noch einen flächenbezogenen Transmissionswärmeverlust von etwa 30 W/m2. Die meistens vorhandenen inneren Wärmequellen erreichen eine ähnliche Größenordnung. Die Kühlung von Büroräumen wird deshalb eine größere Bedeutung erlangen; Heizen ist in vielen neuen Bürogebäuden nur noch am Montagmorgen oder nach längeren Betriebspausen erforderlich.

Neue Erkenntnisse aus der Behaglichkeitsforschung

Den Erfolg der Kühldecke und damit auch die guten Chancen der Kombidecke mit Heiz-/Kühlfunktion muß man in einem größeren Zusammenhang betrachten. Die große Unzufriedenheit in herkömmlich klimatisierten Gebäuden zog in den letzten 15 Jahren umfangreiche Forschungsarbeiten über das Behaglichkeitsempfinden des Menschen nach sich. Mit dem Ziel, die Rate der Unzufriedenen deutlich zu senken, wurden neue technische Standards festgelegt. Wichtig erschien dabei, die Raumtemperatur neu zu definieren. Alle Untersuchungen deuteten darauf hin, daß die Strahlungstemperaturen von Umschließungsflächen einen sehr viel größeren Einfluß auf die Behaglichkeit haben als bisher angenommen.

Mit der Definition der operativen Raumtemperatur t0 nach DIN 1946 Teil 2 gelang es, dem thermischen Empfinden des Menschen eher gerecht zu werden als mit der bloßen Fixierung auf die Raumlufttemperatur.

t0 = 0,5 (ta + tr)

t0 = operative Raumtemperatur

ta = örtliche Lufttemperatur

tr = örtliche Strahlungstemperatur

Mit der neuen Definition der "empfundenen Raumtemperatur" kann die Wirkungsweise strahlender Systeme besser erfaßt werden. Im Kühlfall ist die Raumlufttemperatur stets etwas höher als die empfundene Temperatur, weil die Umschließungsflächentemperatur niedriger liegt. Im Heizfall ist es genau umgekehrt.

Bild 1: Operative Raumtemperatur und Lufttemperaturen bei Strahlungsheizung und Strahlungskühlung.

Auch die Grenzwerte für Raumluftgeschwindigkeiten wurden nach den Erkenntnissen der Behaglichkeitsforschung neu definiert. Dabei zeigte es sich, daß nicht nur die bisher üblichen Raumluftgeschwindigkeiten nach unten zu korrigieren waren, sondern auch, daß der Turbulenzgrad, ein Maß, das die Pulsationsstärke von Luftströmungen beschreibt, einen erheblichen Einfluß auf das Behaglichkeitsempfinden des Menschen hat.

Die Konsequenzen aus den Erkenntnissen der Behaglichkeitsforschung sind eindeutig:

Die Senkung der Beschwerderate, die bei vielen konventionellen Klimaanlagen bis zu 40% beträgt, ist nur durch eine Entkoppelung der Funktionen Raumlüftung und Raumtemperierung möglich. Dabei wird der Zuluftvolumenstrom lediglich nach den hygienischen Bedürfnissen bemessen, meist 5 bis 7 m³/m²h. Diese Luftmenge reicht aus, die relative Luftfeuchtigkeit zu begrenzen. Bei solch geringen Luftmengen ist es kein Problem, die engen Grenzwerte für die Luftgeschwindigkeit nach DIN 1946 Teil 2 einzuhalten oder gar zu unterschreiten. Zudem spart der Betreiber beachtlich an Energie für die Ventilatoren. Die Ersparnis an Technikflächen und Geschoßhöhe reduzieren obendrein die Baukosten erheblich.

Heizen und Kühlen mit abgehängten Decken

Die Erfahrungen belegen, daß mit Flächenkühl- und -Heizsystemen ein hohes Behaglichkeitsniveau geschaffen wird. Die verfügbare Wärmeaustauschfläche ist verhältnismäßig groß, wodurch die Mediumtemperatur nur eine kleine Differenz zur Raumtemperatur aufweisen muß. Dadurch eröffnen sich interessante Möglichkeiten alternativer Energienutzung. So wird zum Beispiel das Düsseldorfer Stadttor mit 16°C kühlem Brunnenwasser gekühlt und mit Abwärme eines Fernheizkraftwerkes beheizt.

Bild 2: Raumluft-
geschwindigkeiten durch Kaltluftabfall an Glasflächen, bezogen auf -12°C Außentemperatur.

Für den Kühl-/Heizbetrieb über die Decke eignen sich besonders geschlossene Deckensysteme mit möglichst hohem Strahlungsanteil. Während im Kühlbetrieb das Verhältnis der durch Strahlung und Konvektion aufgenommenen Wärme bei etwa 60% zu 40% der Gesamtleistung liegt, beträgt im Heizfall der Strahlungsanteil nahezu 100%. Der konvektive Anteil im Kühlfall wird im wesentlichen durch die inneren Wärmequellen induziert, die einen aufsteigenden Warmluftstrom erzeugen, der an den senkrechten Oberflächen wieder zum Fußboden rezirkuliert. Im Heizfall funktioniert diese Luftwalze nur, wenn sich die unter der Decke befindende Luftschicht an der Fassade abkühlen kann.

Genau hier stößt man an Behaglichkeitsgrenzen. Durch die Verwendung von Gläsern mit guten k-Werten werden diese Widrigkeiten weitgehend reduziert, so daß Zugerscheinungen im Fußbereich nicht zu erwarten sind.

Einsatzgrenzen Kühlen und Heizen mit abgehängten Decken

Während beim Kühlen die Gefahr der Kondensation der Raumluftfeuchte die Wassertemperatur des Systems und damit die Kühlleistung begrenzt, wird die noch akzeptable Heizleistung durch das Behaglichkeitskriterium der Strahlungstemperaturdifferenz definiert. Die zulässigen Grenzwerte sind ebenfalls in der DIN 1946 Teil 2 auf der Grundlage der Untersuchungen von Fanger festgelegt. Danach gelten folgende Grenzwerte:

Bild 3: DIN 1946 Teil 2: Grenzwerte für die Differenz der Halbraum- Strahlungstemperaturen, bei der Behaglichkeit gegeben ist.

Gute Kühldeckensysteme übertragen durch ausgereifte Technik die Mediumtemperatur mit geringen Verlusten auf die Deckenunterseite und erreichen damit eine hohe flächenbezogene Kühl- bzw. Heizleistung. Die zur Deckenbekleidung üblicherweise verwendeten Materialien haben nur eine geringe Speicherwirkung und reagieren bei eintretenden Laständerungen innerhalb von wenigen Minuten.

Bild 4: Typische Leistungen für Kühl- bzw. Heizbetrieb bei Verwendung einer Metalldecke. (Typ Varicool Spectra)

Temperaturschichtung

Im Kühlbetrieb läßt sich auch bei unterschiedlichen Kühllasten und in Kombination von Misch- oder Quellüftung keine nennenswerte vertikale Temperaturschichtung nachweisen. Im Heizbetrieb kann jedoch bei überwiegend konvektiv arbeitenden Systemen und in Kombination mit Quellüftung ein Temperaturgradient auftreten. Meistens wird der im Bereich 0,1 bis 1,1 m Höhe relevante Grenzwert von 2K nicht überschritten. Besser sind überwiegend strahlende Systeme (geschlossene Decken) insbesondre in Kombination mit Mischlüftung von der Decke. Die hierbei auftretende Temperaturschichtung ist vernachlässigbar klein.

Bild 5: Temperaturschichtung bei Strahlungsheizung mit 47 W/m2 in Kombination mit Mischlüftung. (Quelle: Adamson/Löfstedt)

Vollflächen- oder Teilbelegung

Die notwendige aktive Deckenfläche wird meistens von der erforderlichen Kühlleistung bestimmt. Die Heizlast kann von der für die Kühlung bestimmten Fläche leicht abgedeckt werden. In manchen Fällen wird deshalb nur ein Teil der kühlaktiven Fläche zur Raumheizung umgeschaltet. Die Frage, ob eine Teilbelegung der Decken für die Beheizung unter dem Gesichtspunkt der aktuellen Behaglichkeitsforschung ausreicht, ist vom jeweiligen Projekt und der gewählten Raumtiefe abhängig. Die vollflächige Belegung der Decke hat den Vorteil niedriger Heizwassertemperaturen. Bei sehr tiefen Räumen ist eine ganzflächige Heiz-/Kühldecke wegen des ungünstigeren horizontalen Strahlungstemperaturverlaufes weniger zu empfehlen.

Mit einer fassadenorientierten Teilbelegung der Decke kann im Heizfall das kalte Fenster besser kompensiert werden. Aus dieser Anordnung ergibt sich eine günstige horizontale Strahlungstemperaturverteilung und Unabhängigkeit von der Raumtiefe. Allerdings ist für diese Auslegung eine etwas höhere Oberflächentemperatur erforderlich. Bei Einhaltung der Grenzwerte bietet die Teilbelegung günstige Voraussetzungen für einen Kombinationsbetrieb Heizen an der Fassade bei gleichzeitigem Kühlen in der Innenzone.

Bild 6: Längsschnitt: Raum mit geteilter Heiz-/Kühldecke und Grundlüftung.

Die bisherigen Erfahrungen in ausgeführten Objekten sowie Berechnungsergebnisse aus thermischen Gebäudesimulationen und Laboruntersuchungen bestätigen, daß in Gebäuden mit heute üblichen k-Werten der Verglasung die zulässigen Strahlungstemperatur-Grenzwerte nicht überschritten werden.

Empfohlene Richtwerte bei einseitiger Fassadenausrichtung:

oder mit zusätzlicher Heizquelle, z.B. beheizbares Pfostenprofil vom Typ Zent-Frenger FACO.

Nicht empfehlenswert für den Kombibetrieb von Heiz-/Kühldecken sind Gebäude mit Fensterlüftung. Die einströmende Kaltluft ist mengenmäßig schlecht dosierbar, schichtet sich am Fußboden und erwärmt sich nur langsam. Der nach DIN 1946 Teil 2 zulässige Temperaturanstieg von 2K zwischen 0,1 und 1,1 m über Fußboden kann nicht sichergestellt werden. In Gebäuden mit mechanischer Grundlüftung ist diese Gefahr nicht gegeben.

Betriebsarten von Deckenheizungen

Über weite Zeiträume benötigen Bürogebäude, errichtet nach der neuen Wärmeschutzverordnung, bei entsprechenden inneren Wärmelasten keine Heizung. Die Transmissionswärmeverluste in diesen Gebäuden betragen heute nur noch etwa 30 W/m2, die inneren Wärmelasten durch Bürokommunikation, Licht und solare Gewinne summieren sich dagegen auf etwa 25 bis 50 W/m2.

Bild 7: In Bürogebäuden, gebaut nach der neuen Wärmeschutzverordnung, stehen sinkende Transmissionswärmeverluste einer wachsenden inneren Wärmelast gegenüber. Dem Beispiel liegt eine RLT-Anlage mit 2fachem Luftwechsel zugrunde.

In vielen dieser Gebäude sind die Heizflächen deshalb nur noch bei sehr tiefen Außentemperaturen bzw. nach Wochenenden oder Feiertagen in Betrieb. Vielfach genügt es, die Deckenheizung vor Betriebsbeginn kurzfristig höher einzustellen, damit die Umschließungsflächen rasch erwärmt werden. Während dieser Aufheizzeit brauchen die Behaglichkeitsgrenzwerte nicht eingehalten zu werden, da in der Regel noch keine Personen anwesend sind. Nach Arbeitsbeginn führen die inneren Wärmequellen automatisch zu einem Anstieg der Lufttemperatur. In gleicher Weise regelt die Deckenheizung zurück oder schaltet ab.

Durch die Erwärmung der inneren Wandflächen sowie der Möbel über Strahlungsaustausch kann die Raumlufttemperatur niedriger gehalten werden. Damit unterbleibt die sonst übliche Überheizung der Raumluft während der Aufheizphase, was eine zusätzliche Heizkosteneinsparung ermöglicht.

Bei den in Büros üblichen Raumhöhen von bis zu 3 m sollte nach den bisherigen Erfahrungen die mittlere Deckenoberflächentemperatur nicht mehr als 35°C betragen.

Hydraulische Schaltung von Heiz-/Kühldecken

Eine gut funktionierende Heiz-/Kühldecke ist von der Auswahl des richtigen hydraulischen Systems abhängig. Dabei muß berücksichtigt werden, daß zum Beispiel in Gebäuden mit ausgeprägter Nord-/Südorientierung der Heizfall und der Kühlfall zur selben Zeit auftreten kann, oder im Fassadenbereich von Großraumbüros geheizt wird, während in der Innenzone Wärmeüberschuß besteht. Je nach Anwendungsfall stehen im wesentlichen folgende Systeme zur Auswahl:

Bild 8: Hydraulisches Anschlußschema der Heiz-/Kühldecke im Vierleitersystem, ganzflächige Belegung.

Bild 9: Hydraulisches Anschlußsystem der Heiz-/Kühldecke im Vierleiter-Change-Over-System mit geteilten Flächen.

Bild 10: Hydraulisches Anschlußsystem der Heiz-/Kühldecke im Dreileitersystem.

Doppelnutzung spart Investitionskosten und erhöht Flexibilität

Kühldecken mit Heizfunktion bringen dem Investor einen mehrfachen Nutzen. Zunächst werden Investitionskosten in der Größenordnung von 300 bis 400 DM je lfdm. Stockwerksfassade durch Wegfall der Heizkörper eingespart, das entspricht einer Kostenreduktion von ca. 60 bis 80 DM/m2 Bürofläche. Durch den Verzicht auf Radiatoren unter den Fenstern ergeben sich neue Gestaltungsmöglichkeiten im Brüstungsbereich bei gleichzeitigem Platzgewinn und Erhöhung der Raum- bzw. Gebäudeflexibilität. Bei raumhoch verglasten Fassaden stören keine Heizkörper mehr die Transparenz der Fassadenarchitektur und das Heizproblem wird trotzdem auf elegante Weise gelöst. Die milden Temperaturen, sowohl des Heiz- als auch des Kühlmediums, erlauben den Einsatz von Niedertemperaturwärme aus Brennwertkesseln, Wärmepumpen oder Abwärme, aber auch die Kältenutzung durch Freikühleinrichtungen, adiabatische Kühlung oder Erdkälte.

Die bisherigen Erfahrungen mit ausgeführten Heiz-/Kühldecken lassen erwarten, daß die Kombidecke in Zukunft immer mehr Anwender finden wird, gerade unter dem Aspekt kostengünstigen und flexiblen Bauens.

Die Kombination von Kühlen und Heizen mit abgehängten Decken wurde inzwischen in einer Reihe von Gebäuden erfolgreich erprobt und wird derzeit in vielen bedeutenden Gebäuden bereits eingeplant. Die bisherigen Erfahrungen entsprechen in vollem Umfang den Erwartungen der Nutzer.

* Dipl.-Ing. (FH) Fritz Nüßle, Geschäftsführer Zent-Frenger Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH, Heppenheim.

B i l d e r , wenn nicht extra angegeben: Zent-Frenger Gesellschaft für Gebäudetechnik mbH, Heppenheim.

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